耕地高空光伏发电方法及光伏发电悬索与流程

本技术属于农光互补，具体涉及一种（利用）耕地高空（进行）光伏发电（的）方法及其光伏发电悬索。

背景技术：

1、 （cn113345974a）公开了一种由北京昌日新能源科技有限公司申请的“农光互补光伏发电装置”专利，它包括多个电池组件，所述电池组件包括多个电池片以及受光层；其中，所述受光层为柔性受光层，并且所述多个电池片中相邻电池片之间具有空隙，以使得所述受光层与所述多个电池片所组成的整体能够利用所述受光层的柔性以及所述多个电池片之间的空隙实现弯曲，进而实现所述电池组件的弯曲，使得所述电池组件不仅能够安装在安装面与所述电池组件形状高度一致的应用场景中，还能够安装在安装面与所述电池组件接触面不一致的应用场景中，从而使得所述农光互补光伏发电装置能够适用于更多的应用场景，有助于提高所述农光互补光伏发电装置的实用性。然而，实践发现，其严重不足在于：如其“图6”所示，须在耕地里安装众多农光互补光伏发电装置；每亩耕地的投资大、发电成本高，其众多桩基大量占用了耕地面积、严重妨碍了农业机械化作业。

2、 中国水电顾问集团贵阳勘测设计研究院岩土工程有限公司作为专利申请人，提出了“一种大跨度柔性支架光伏电站的石漠化治理系统（cn219812768u）”、“一种大跨度双曲悬索柔性光伏支架（cn219834036u）”、“一种大跨度预应力双层索网结构光伏支架及其安装方法（cn116780986a）”、“一种大跨度柔性索网结构光伏支架（cn116667755 a）”等四件专利。该四件专利申请具有一个技术共同点：即采用“两根承重索”和“一根稳定索”搭建一种三角形结构的柔性光伏支架，用于支撑和稳定光伏电池板。

3、深圳市安泰科能源环保股份有限公司作为专利申请人，提出了“一种柔性光伏支架（cn215646660u）”专利，它包括多个依次设于各第一支撑组件的拉索组件，该拉索组件上设有多个光伏组件，如此使得光伏组件能够倾斜设置以面向太阳。柔性光伏支架还包括连接索，该连接索位于相邻第一支撑组件之间并能够将各拉索组件连为一体，连接索的端部通过弹性部件与第二支撑组件连接。可有效降低连接索预应力的损失，避免其发生松弛，保证对拉索组件承重的强度，提升柔性光伏支架的稳定性。其背景技术指出“现有柔性光伏支架在实际使用时存在一定问题，由于其光伏组件是由钢绞线制成的拉索进行串联，仅在轴向具有较大的刚度，因此在风荷载的作用下，极易发生扭转运动，极易导致光伏组件的损坏。现有技术中常采用连接索将各拉索连为一体，以提高柔性光伏支架的稳定性，但是连接索在使用一段时间后会发生松弛，影响柔性光伏支架的稳定”。对比可知，该柔性光伏支架如其“图1和图6”所示，同样使用“第一连杆91、第二连杆92和第三连杆93、“下弦索80与上拉索11和下拉索12等构件来搭建一种三角形结构的柔性光伏支架，用于支撑和稳定面积较大的质量较重的光伏电池板。

4、 调研发现，一些地方部门规定在耕地和永久基本农田里布设柔性光伏支架等光伏方阵，须采用农光互补模式。原则上光伏组件最低沿应高于地面2.5米，桩基列间距应大于 4米、行间距应大于10米，除桩基用地外，严禁硬化地面、破坏耕作层。布设在水面上的光伏方阵，组件最低沿应高于最高水位0.6米。布设在林地上的光伏方阵用地，须采用林光互补模式。可使用年降水量400毫米以下区域的灌木林地以及其他区域覆盖度低于50%的灌木林地，不得采伐林木、割灌及破坏原有植被，不得将乔木林地、竹林地等采伐改造为灌木林地后架设光伏板；每列光伏板南北方向应合理设置净间距，并采取有效水土保持措施，确保灌木覆盖度等生长状态不低于林光互补前水平。由此可见，地方部门是严控光伏项目占用耕地的，目的在于严防死守18亿亩耕地红线，严格落实耕地保护制度。

5、本技术之发明人跟踪调研了上述柔性光伏支架和“农光互补”等专利技术的实施情况后发现，其存在以下诸多严重技术缺陷：其一、众多密集的桩基大量占用了耕地面积、且严重妨碍了农业机械化作业；其二、柔性光伏支架的成本高、高空架设难、大风易扭转、小风易抖动、大雪冻雨易压断、板面灰尘难清洗、易损坏、寿命短、瞬电波动大。总而言之，现行柔性光伏支架高空架设难，安装工费高，清洗维护难，使用寿命短，易扭转/抖动、瞬电波动大，耕地上空富余的太阳能资源难以低成本开采。

技术实现思路

1、本技术的目的之一：提供一种（利用）耕地高空（进行）光伏发电（的）方法，以期克服现行柔性光伏支架高空架设难，安装工费高，清洗维护难，使用寿命短，易扭转/抖动、瞬电波动大，耕地上空富余的太阳能资源难以低成本开采等诸多技术缺陷。

2、本技术的目的之二：提供一种光伏发电悬索，以期克服现行柔性光伏支架高空架设难，安装工费高，清洗维护难，使用寿命短，易扭转/抖动、瞬电波动大，高空富余的太阳能资源难以低成本开采等诸多技术缺陷。

3、为了实现上述发明目的之一，本技术采取的技术方案如下。

4、本技术提供一种耕地高空光伏发电方法，其特征在于，包括以下步骤：

5、①在高抗拉强度的承重索周围铺设光伏电池层（最好在大于800兆帕的高抗拉强度的承重索周围、铺设一圈或大半圈光伏电池层并将其众多光伏电池串联或/和并联起来）；在光伏电池层上覆设透明保护层（也可称作透明护套）；封装出（一条条）粗细尺寸为d的（最好是宽度或直径为d的）、周围（例如外壁、外套、外壳、外表等外层）大部分区域铺设有光伏电池层的、周围大部分区域（最好是周围全部区域）都可接受光照（无论光伏发电悬索如何乱动始终都有面朝太阳的光伏电池层可接受光照）发电的（几十米乃至成百上千米长的）单根光伏发电悬索；该光伏发电悬索的横截面最好设计成圆形，也可是（但不建议使用）三角形、或方形、或（趋近于圆形的）多边形等；其中，d≤10mm或20mm或30mm或50mm或100mm或200mm或300mm或500mm；

6、②将（一条条）众多光伏发电悬索间隔一定距离、通过（支撑柱或吊索塔等）高耸支撑物架设到耕地上空（的高空中），并将其（众多光伏发电悬索）串联或/和并联成光伏电池组（以进行光伏发电）；将光伏发电悬索（最低点）距离作物顶梢的高度设为h、将光伏发电悬索的跨度设为l、将光伏发电悬索（在耕地上）的水平投影间距设为k；其中，h≥1m或2m或5m或10m或20m或30m或50m（总之，应使高度h足够高，以保证作物顶梢不会触碰到光伏发电悬索）、l≥10m或20m或50m或100m或500m或1000m（总之，应使跨度l足够大，以减少高耸支撑物的数量、降低桩基占地面积、避免严重妨碍农机作业）、k≥0.01m或0.05m或0.10m或0.20m或0.5m或1m或2m或3m或5m或10m（总之，应适当减少光伏发电悬索的阴影面积、最低限度地保证作物生长光照需要、避免因光合作用不足而减产）；

7、③（尽量）采用粗细尺寸d较小的光伏发电悬索、（尽量）将光伏发电悬索的间距拉大，以使光伏发电悬索的粗细尺寸d与光伏发电悬索的水平投影间距k之比值:d/k≤0.01或0.02或0.03或0.05或0.10或0.20或0.30或0.50，以保证光伏发电悬索落在耕地里的阴影、随着太阳的移动、可快速（最好在5分钟时间以内）划过同一株作物，从而避免同一株作物因长时间停留（停留时间最好不要超过10分钟）在光伏发电悬索的阴影里、而降低光合作用、导致作物减产。

8、优选的是，所述的耕地高空光伏发电方法，其特征在于：在光伏发电悬索周围60-100%的区域（最好是周围全部区域），铺设上由众多光伏电池片及其光伏电池板串联或/和并联起来所构成的光伏电池层，封装成一条横截面为圆形、或三角形、或方形、或多边形的（数十米甚至成百上千米长的）单根光伏发电悬索。

9、优选的是，所述的耕地高空光伏发电方法，其特征在于：将承重索设置到光伏发电悬索重心的正上方，以形成倒悬结构，使之受到风力作用时，能够保持平衡、不易乱动。

10、优选的是，所述的耕地高空光伏发电方法，其特征在于：将承重索设置到圆形光伏发电悬索的轴心位置，以确保形成轴心与重心重合的防扭（防扭曲或防扭结）结构，从而使光伏发电悬索受到来自各个方向的风力作用时，受力始终均匀、不会频繁颤抖、不易乱动、不会产生扭转。这里需要特别强调的是，圆形光伏发电悬索的受光层因为是对称柱面，光照面积不会因光伏发电悬索乱动而变化，所生产的光伏电压及电流稳定，不会随风波动、不会随机变化；并且圆形光伏发电悬索因为阳光可从各个角度进入，包括较低的太阳高度角度，所以可在一天中的更长时间内捕获太阳能，尤其可在日出和日落时产生更高的发电效率。

11、优选的是，所述的耕地高空光伏发电方法，其特征在于：同一跨度l内的一根光伏发电悬索由多段较短的光伏发电悬索连接而成；每段较短的光伏发电悬索构成一个光伏电池模块——可称为光伏电池棒。

12、优选的是，所述的耕地高空光伏发电方法，其特征在于：在承重索与光伏电池层之间，填充上增粗填充物（例如填充密度很低的聚氨酯硬质泡沫等增粗填充物），通过增加光伏发电悬索的粗细尺寸d、来扩大光伏电池层的可布设面积，从而极大限度地提高光伏发电悬索单位长度的发电量，降低单位长度的悬索成本。

13、更为优选的是，所述的耕地高空光伏发电方法，其特征在于：在光伏发电悬索上附设（外挂或预埋）灌溉用水管，以实现光伏发电与输水灌溉二合一的农光互补功能。这样一来，本技术技术方案不但可以利用耕地上空富余的阳光进行光伏发电，而且还可顺便利用光伏发电悬索内的输水管给耕地灌溉，比如利用很细很轻的输水管给作物滴灌，实现光灌互补功能。

14、还有更为优选的是，所述的耕地高空光伏发电方法，其特征在于：在光伏发电悬索上附设（外挂或预埋）补光电灯，以实现光伏发电与夜间补光及输水灌溉三合一的农光互补功能。这样一来，本技术技术方案不但可以利用耕地上空富余的阳光进行光伏发电，而且还可顺便利用光伏发电悬索内的输水管给耕地灌溉，还可在夜间给喜光作物补光，以促进作物生长。

15、为了实现上述发明目的之二，本技术采取的技术方案如下。

16、本技术一种光伏发电悬索，其特征在于：在高抗拉强度的承重索周围布设有光伏电池层（例如在大于800兆帕的高抗拉强度的承重索周围布设一圈或大半圈光伏电池板并将其众多光伏电池板串联或/和并联起来）；在光伏电池层上覆设有透明保护层；以制出一根粗细尺寸为d的（最好是宽度或直径为d的）、周围（例如外壁、外套、外壳、外层、外表等称谓）大部分区域铺设有光伏电池层的、周围大部分区域（最好是周围全部区域）都可接受光照（无论光伏发电悬索如何扭转始终都有面朝太阳的光伏电池层可接受光照）发电的光伏发电悬索；该光伏发电悬索的横截面最好是圆形，也可是三角形、或方形、或（趋近于圆形的）多边形等；其中，d≤0.01m或0.02m或0.03m或0.05m或0.10m或0.20m或0.30m或0.50m。

17、优选的是，所述的光伏发电悬索，其特征在于：在光伏发电悬索周围60-100%的区域（最好是周围全部区域），铺设有由众多光伏电池片及其光伏电池板串联或/和并联起来所构成的光伏电池层；该光伏发电悬索为一根横截面为圆形、或三角形、或方形、或多边形的（数十米乃至成百上千米长的）缆索。

18、优选的是，所述的光伏发电悬索，其特征在于：承重索设置在光伏发电悬索重心的正上方，以形成倒悬结构，以使之受到风力作用时，能够保持平衡。

19、优选的是，所述的光伏发电悬索，其特征在于：承重索设置在圆形光伏发电悬索的轴心位置，以确保形成轴心与重心重合的防扭结构，从而使光伏发电悬索受到来自各个方向的风力作用时，受力始终均匀、不会频繁颤抖、不会产生扭转。这里需要强调的是，圆形光伏发电悬索的受光层因为是对称柱面，光照面积不会因光伏发电悬索晃动而变化，所生产的光伏电压及电流稳定，不会随风波动、不会随机变化；并且因为太阳光线可以从各个角度进入，包括较低的太阳高度角度，所以可在一天中的更长时间内捕捉太阳能，尤其可在日出和日落时产生更高的发电效率。

20、优选的是，所述的光伏发电悬索，其特征在于：在承重索与光伏电池层之间，填充有增粗填充物（例如填充有密度很低的聚氨酯硬质泡沫等轻质增粗填充物），以通过增加光伏发电悬索的粗细尺寸d、来扩大光伏电池层的可布设面积，从而极大限度地提高光伏发电悬索单位长度的发电量，降低单位长度的悬索成本。

21、优选的是，所述的光伏发电悬索，其特征在于：一条光伏发电悬索由多段较短的单根光伏发电悬索连接而成；每段较短的光伏发电悬索构成一个光伏电池模块——可称之为光伏电池棒。

22、优选的是，所述的光伏发电悬索，其特征在于：光伏电池棒上具有可供承重索绕进去的螺旋缝隙；或者，光伏电池棒上具有可供承重索卡进去的凹槽。

23、更为优选的是，所述的光伏发电悬索，其特征在于：在光伏发电悬索上附设（外挂或预埋）有灌溉用水管，以实现光伏发电与输水灌溉二合一的农光互补功能。这样一来，本技术技术方案不但可以利用耕地上空富余的阳光进行光伏发电，而且还可顺便利用光伏发电悬索内的输水管给耕地灌溉，比如利用很细很轻的输水管给作物滴灌，实现农光灌二项互补功能。

24、还有更为优选的是，所述的光伏发电悬索，其特征在于：在光伏发电悬索上附设（外挂或预埋）有补光电灯，以实现光伏发电与夜间补光及输水灌溉三合一的农光互补功能。这样一来，本技术技术方案不但可以利用耕地上空富余的阳光进行光伏发电，而且还可顺便利用光伏发电悬索内的输水管给耕地灌溉，还可在夜间给喜光作物补光，以促进作物生长和增产。

25、还有优选的是，所述的光伏发电悬索，其特征在于：在光伏发电悬索上附设有加热元件，用以通过电流加热来融化其上的积雪和冻雨冰块，以防被压断。

26、还有优选的是，所述的光伏发电悬索，其特征在于：在光伏发电悬索上附设有扬声器，用以播放声音（包括超声波和天敌叫声）来驱赶害鸟或田鼠，或播放作物喜欢的音乐来促进作物生长。

27、本技术所述的耕地泛指绿色植物覆盖的地面，范围包括但不限于林地、草地、农田、山坡、沟壑、花木果园，包括耕地内的沟、渠、路和埂。此外，还包括道路中间及其两旁的绿化带。

28、业内研发人员普遍了解，光伏电池板的研发方向主要包括五个关键方面。首先是提高转换效率，这一方向一直是研究人员努力的目标。他们致力于不断提升光伏电池板的转换效率，以增加其能量输出。其次是降低成本，这是一个至关重要的目标，需要涉及到材料成本、生产工艺以及设计优化等多个方面的创新。第三个方向是提高耐久性和稳定性，因为光伏电池板需要在各种环境条件下长时间稳定运行。研究人员致力于增强光伏电池板的抗风颤、抗风摆和防翻转能力，以保障光伏电池板不能乱动、只能“在静止状态下发电”，使其长期可靠运行并输出稳定电能。第四个方向是进行一体化设计，即将光伏电池板与建筑物或其他设备整合在一起，以实现更高效的能源利用。这就需要对光伏电池板进行设计优化，以适应特定的安装场景和要求。最后一个方向是智能化和网络化，随着智能技术的不断发展，研究人员正在探索如何使光伏电池板具有智能化和网络化功能，以实现更有效的能源管理和监控。

29、本技术之发明人突破光伏电池板须在“在静止状态下发电”的传统思维局限，放弃增强光伏电池板的抗风颤、抗风摆和防翻转能力的研发方向，首创提出允许光伏电池板风颤、风摆、翻转等乱动的反向研发方向和理论，实现了光伏电池板“可在乱动中稳定发电”的技术目标。

30、与现有技术相比，本技术具有如下有益技术效果。

31、其一、相比于背景技术（五项专利）使用柔性光伏支架的光伏发电方案，本技术实现了光伏电池板“可在乱动中稳定发电”的技术目标，省去了“维稳费用”，只使用了其中一根承重索，节省了另外一根承重索和一根稳定索及其系索等至少三根索。因此本技术无需像背景技术那样费时费力地稳固支架，防止光伏电池板晃动、抖动、扭转等乱动，满足“在静止状态下发电”的技术要求。从而可节省支架材料与制造及搭建工费等“维稳费用”。测算显示，相比于背景技术，本技术光伏发电方案需用材料成本降低三分之一以上。

32、其二、本技术中的光伏发电悬索易于安装施工，只需将其两端固定到高耸支撑塔上并连接导线即可，无需像背景技术那样费时费力地利用工人进行高空作业；安装施工费降低30%以上。

33、其三、本技术中，尤其是横截面是正圆形的光伏发电悬索的具体实施方案，“可在乱动中稳定发电”且发电无波动，高空架设易、安装工费低、易于清洗维护（因为无缝隙、无死角、光滑笔直，易于人工清扫和用无人机清洗灰尘和鸟粪）、使用寿命长、耕地上空富余的太阳能资源可被充分开采使用。该具体实施方案几乎克服了背景技术（五项专利）的全部近十个缺陷。

34、其四、测算显示，本技术光伏发电方案的综合成本，由3元/瓦降低到了2元/瓦，降低了三分之一以上。

35、其五、本技术光伏发电悬索中增设了灌溉用水管，使得光伏发电与输水灌溉二者巧妙地有机地结合在了一起，可一次投资、一次施工，与二者各自独立投资、安装、使用相比，综合成本大幅度降低。

36、其六、本技术光伏发电悬索中增设了夜间补光电灯，使得光伏发电与输水灌溉及安装补光电灯三者巧妙地有机地结合在了一起，可一次投资、一次施工，与三者各自独立投资、安装、使用相比，综合成本大幅度降低。

37、其七、本技术光伏发电方案，除了使用极少的桩基地而外，基本不占用耕地，光伏发电悬索跨度大，高度高，阴影窄，密度稀，不挡风、不挡雨、不挡光，不影响作物产量，不妨碍农业机械化生产。

38、其八、本技术最大的有益技术效果是：巧妙地开发使用了耕地上空富余的太阳能资源，可增加耕地的产出价值。资料显示，有些作物受到过多阳光照射会影响正常生长，需要遮光网或其他遮荫设施来调节光照水平。例如菜类作物莴苣、生菜、菠菜、甘蓝、芥菜、芹菜等，例如花卉类作物如紫罗兰、报春花等、例如蘑菇、例如某些水果如草莓、蓝莓等，例如根菜类作物土豆、胡萝卜、甜菜。资料还显示，大多数作物减少10%左右的光照，不会造成减产。由此可见，本技术的推广应用，可挖掘出相当于全球耕地面积10%的免费光伏用地。并且，也可架设在道路、河道、沟壑、楼宇之间等不太需要阳光的场所上空，从而充分利用高空富余的太阳能资源。

39、其九、无需大举在遥远的西部沙漠建设集中式光伏电厂，然后再把电输送到东部，可就近在东部用电需求大的地区耕地里建设集中式光伏电厂，可就地就近消纳所发光伏电力等清洁能源。

40、其十、相比于背景技术（五项专利）使用柔性光伏支架的光伏发电方案，本技术抛弃了难固定、风阻大、易损坏的刚性平面式光伏电池板；首创了易固定、风阻小、不易损的柔性光伏发电悬索——可简称光伏索。因而，本技术克服了现有农光互补技术发电波动大、高空架设难、安装工费高、难于清洗维护、使用寿命短、耕地上空富余的太阳能资源未被充分有效开采等诸多技术缺陷，获得了诸多有益技术效果。